Die NUAK-Familie, SNF1-like Kinase 1, auch bekannt als AMPK-related protein kinase 5 (ARK5), ist ein Enzym, das beim Menschen durch das NUAK1-Gen kodiert wird.

AMP-aktivierte Proteinkinase (AMPK) und AMPK-verwandte Kinasen

Adipositas und Diabetes mellitus (DM) bedrohen derzeit die Gesundheit in nahezu jedem Land der Welt. Eine gestörte Energiebilanz gilt als wesentliche Ursache von Adipositas und Typ-2-Diabetes. Die AMP-aktivierte Proteinkinase (AMPK) ist eine hochkonservierte Serin/Threonin-Proteinkinase (PK) mit zahlreichen Substraten und wurde umfassend charakterisiert. Sie gilt als zentraler Sensor und Regulator der zellulären Energiehomöostase. AMPK wirkt als Heterotrimer, bestehend aus einer katalytischen Untereinheit (α) und zwei regulatorischen Untereinheiten (β und γ), wobei ihre Aktivität durch einen Anstieg des intrazellulären AMP:ATP-Verhältnisses in Zellen unter metabolischem Stress (z. B. Hypoxie, Hitzeschock und Ischämie) reguliert wird. Es wird berichtet, dass AMPK eine Schlüsselrolle bei der Regulation des Glukose- und Cholesterinstoffwechsels sowie der Zellproliferation, Zellpolarität und Tumorigenese spielt, indem sie auf metabolischen Stress reagiert. Darüber hinaus kann die AMPK-Aktivität auch durch Hormone und Zytokine reguliert werden, was zu Stoffwechselveränderungen führt, die wiederum die Tumorprogression fördern können.

Struktur und Expression

Mitglieder der NUAK-Familie (einschließlich NUAK1 (ARK5) und NUAK2 (SNARK)) enthalten eine Ubiquitin-verwandte Domäne nahe dem C-Terminus ihrer katalytischen Domäne, die für die Phosphorylierung und Aktivierung durch LKB1 erforderlich ist. Eine Homologiesuche der Aminosäuresequenz von ARK5 ergab eine Gesamt-Homologie von 55,0 % mit humanem SNARK. Obwohl AMPK als Heterotrimer fungiert, ist unklar, ob ARK5 und SNARK ebenfalls als Heterotrimere vorliegen. Das humane ARK5-Protein besteht aus 661 Aminosäuren (ca. 76 kDa). Für das Maus-ARK5-Protein werden 658 Aminosäuren erwartet, während das Ratten-ARK5-Protein ein Polypeptid mit 660 Aminosäuren ist. ARK5-mRNA und -Protein werden im Herzen, in der Niere, im Gehirn, in der Leber und in der Skelettmuskulatur nachgewiesen. Interessanterweise berichteten Fisher et al., dass eine Western-Blot-Analyse mit selbst hergestellten Antikörpern zwei ausgeprägte ARK5-Banden in der Skelettmuskulatur zeigte; die niedrigere der beiden Banden wies dasselbe Molekulargewicht wie AMPK auf, was auf eine potenzielle Interaktion von ARK5 mit neuartigen Kinasen der AMPK-Familie hindeutet. Die ARK5-Expression ist eng mit Matrix-Metalloproteinase 2 (MMP2), MMP9 und dem S100-Calcium-bindenden Protein A4 (S100A4) assoziiert und steht in engem Zusammenhang mit einer ungünstigen Prognose beim multiplen Myelom. Darüber hinaus ist die ARK5-Expression auch mit dem durch das v-raf murine sarcoma virus oncogene B1 (BRAF) vermittelten Signalweg verbunden. BRAF gilt als neuer Indikator für Progression und Aggressivität des papillären Schilddrüsenkarzinoms. Die Expression von ARK5-mRNA beim Kolonkarzinom korreliert mit dem Stadium, und die ARK5-mRNA-Expression ist in Lebermetastasen des Kolonkarzinoms hoch. Kolorektale Karzinom-Zelllinien: DLD-1, WiDr, HCT-15, SW620, LoVo, SW480 und SW1116. ARK5 ist jedoch in differenzierten C2C12-Myotuben stärker exprimiert als in undifferenzierten Myoblasten, was darauf hindeutet, dass NUAK/ARK-Proteine in unterschiedlichen Zelltypen multiple Funktionen erfüllen.

Funktion und Regulation von ARK5

Ähnlich wie andere Mitglieder der AMPK-Familie enthält ARK5 eine hochkonservierte aktive T-Loop, was auf das Vorhandensein upstream gelegener Kinasen hindeutet, die Threoninreste in der katalytischen Domäne phosphorylieren. LKB1 und die Akt-Kinase modifizieren ARK5, wobei Serin 600 und Threonin 211 phosphoryliert werden, was die Kinaseaktivität aktivieren kann. Wie bei den meisten AMPK-regulierten Kinasen wird die ARK5-Aktivität durch die LKB1-vermittelte Phosphorylierung des T-Loop-Threonins um das 10- bis 20-Fache gesteigert. Eine aktuelle Studie zeigte, dass die Aktivität von ARK5/SNARK-Immunkomplexen in der Skelettmuskulatur von muskel-spezifischen Lkb1-Knockout-Mäusen unter basaler sowie kontraktiler Stimulation signifikant reduziert war, wobei Antikörper verwendet wurden, die nicht zwischen den beiden Proteinen unterschieden. Dies legt nahe, dass SNARK und ARK5 wichtige LKB1-Regulatoren in der Skelettmuskulatur sein könnten. Kürzlich zeigten Matrigel-Invasionsassays, dass sowohl die Überexpression als auch endogenes ARK5 eine ausgeprägte Akt-vermittelte Aktivität aufweisen. Wichtig ist, dass ARK5 bislang das einzige Mitglied der AMPK-Familie ist, das durch Akt reguliert wird.

Schlussfolgerungen

Die NUAK-Familie ist essenziell für Malignität und Energiestoffwechsel. Weitere Arbeiten sind erforderlich, um den Regulationsmechanismus und die Funktion der Proteine der NUAK-Familie aufzuklären. Obwohl die Funktionen der NUAK-Familie noch nicht vollständig verstanden sind, gelten ARK5 und SNARK als potenzielle therapeutische Zielstrukturen für die Behandlung humaner Krebserkrankungen und metabolischer Erkrankungen wie Adipositas und DM.

Referenz:

1. Wan-Chun Li; et al. The Regulation and Function of the NUAK Family. Journal of Molecular Endocrinology (2013) 51, R15–R22